Термодинамика и теплопередача. Способы теплопередачи и расчет. Теплопередача - это...

Сегодня мы попытаемся найти ответ на вопрос “Теплопередача - это?..”. В статье рассмотрим, что представляет собой процесс, какие его виды существуют в природе, а также узнаем, какова связь между теплопередачей и термодинамикой.

Определение

Теплопередача - это физический процесс, суть которого заключается в передаче тепловой энергии. Обмен происходит между двумя телами или их системой. При этом обязательным условием будет передача тепла от более нагретых тел к менее нагретым.

Особенности процесса

Теплопередача - это тот самый вид явления, который может происходить и при прямом контакте, и при наличии разделяющих перегородок. В первом случае все ясно, во втором же в качестве преград могут быть использованы тела, материалы, среды. Теплопередача будет происходить в случаях, если система, состоящая из двух или более тел, не находится в состоянии теплового равновесия. То есть, один из объектов имеет большую или меньшую температуру по сравнению с другим. Вот тогда происходит передача тепловой энергии. Логично предположить, что она завершится тогда, когда система придет в состояние термодинамического, или теплового равновесия. Процесс происходит самопроизвольно, о чем нам может рассказать второе начало термодинамики.

Виды

Теплопередача - это процесс, который можно разделить на три способа. Они будут иметь основную природу, поскольку внутри них можно выделить настоящие подкатегории, имеющие свои характерные особенности наравне с общими закономерностями. На сегодняшний день принято выделять три вида теплопередачи. Это теплопроводность, конвекция и излучение. Начнем с первой, пожалуй.

Способы теплопередачи. Теплопроводность.

Так называется свойство того или иного материального тела совершать перенос энергии. При этом она переносится от более нагретой части к той, что холоднее. В основе этого явления лежит принцип хаотичного движения молекул. Это так называемое броуновское движение. Чем больше температура тела, тем активнее в нем двигаются молекулы, поскольку они обладают большей кинетической энергией. В процессе теплопроводности участвуют электроны, молекулы, атомы. Осуществляется она в телах, разные части которых имеют неодинаковую температуру.

Если вещество способно проводить тепло, мы можем говорить о наличии количественной характеристики. В данном случае ее роль играет коэффициент теплопроводности. Эта характеристика показывает, какое количество теплоты пройдет через единичные показатели длины и площади за единицу времени. При этом температура тела изменится ровно на 1 К.

Ранее считалось, что обмен теплом в различных телах (в том числе и теплопередача ограждающих конструкций) связана с тем, что от одной части тела к другой перетекает так называемый теплород. Однако признаков его действительного существования никто так и не нашел, а когда молекулярно-кинетическая теория развилась до определенного уровня, про теплород все и думать забыли, поскольку гипотеза оказалось несостоятельной.

Конвекция. Теплопередача воды

Под этим способом обмена тепловой энергией понимается передача при помощи внутренних потоков. Давайте представим себе чайник с водой. Как известно, более нагретые воздушные потоки поднимаются наверх. А холодные, более тяжелые, опускаются вниз. Так почему же с водой все должно быть иначе? С ней все абсолютно так же. И вот в процессе такого цикла все слои воды, сколько бы их ни было, нагреются до наступления состояния теплового равновесия. В определенных условиях, конечно.

Излучение

Этот способ заключается в принципе электромагнитного излучения. Оно возникает благодаря внутренней энергии. Сильно вдаваться в теорию теплового излучения не станем, просто отметим, что причина здесь заключается в устройстве заряженных частиц, атомов и молекул.

Простые задачи на теплопроводность

Сейчас поговорим о том, как на практике выглядит расчет теплопередачи. Давайте решим простенькую задачу, связанную с количество теплоты. Допустим, что у нас есть масса воды, равная половине килограмма. Начальная температура воды – 0 градусов по Цельсию, конечная – 100. Найдем количество теплоты, затраченное нами для нагревания этой массы вещества.

Для этого нам потребуется формула Q = cm(t₂-t₁), где Q – количество теплоты, c – удельная теплоемкость воды, m – масса вещества, t₁ – начальная, t₂ – конечная температура. Для воды значение c носит табличный характер. Удельная теплоемкость будет равна 4200 Дж/кг*Ц. Теперь подставляем эти значения в формулу. Получим, что количество теплоты будет равно 210000 Дж, или 210 кДж.

Первое начало термодинамики

Термодинамика и теплопередача связаны между собой некоторыми законами. В их основе - знание о том, что изменения внутренней энергии внутри системы можно достичь при помощи двух способов. Первый - совершение механической работы. Второй – сообщение определенного количества теплоты. На этом принципе базируется, кстати, первый закон термодинамики. Вот его формулировка: если системе было сообщено некоторое количество теплоты, оно будет потрачено на совершение работы над внешними телами или на приращение ее внутренней энергии. Математическая запись: dQ = dU + dA.

Плюсы или минусы?

Абсолютно все величины, которые входят в математическую запись первого закона термодинамики, могут быть записаны как со знаком “плюс”, так и со знаком “минус”. Причем выбор их будет диктоваться условиями процесса. Допустим, что система получает некоторое количество теплоты. В таком случае тела в ней нагреваются. Следовательно, происходит расширение газа, а значит, совершается работа. В итоге величины будут положительными. Если же количество теплоты отнимают, газ охлаждается, над ним совершается работа. Величины примут обратные значения.

Альтернативная формулировка первого закона термодинамики

Предположим, что у нас есть некий периодически действующий двигатель. В нем рабочее тело (или же система) совершают круговой процесс. Его принято называть циклом. В итоге система вернется к первоначальному состоянию. Логично было бы предположить, что в таком случае изменение внутренней энергии будет равным нулю. Получается, что количество теплоты станет равно совершенной работе. Эти положения позволяют сформулировать первый закон термодинамики уже по-другому.

Из него мы можем понять, что в природе не может существовать вечный двигатель первого рода. То есть, устройство, которое совершает работу в большем количестве по сравнению с полученной извне энергией. При этом действия должны совершаться периодически.

Первое начало термодинамики для изопроцессов

Рассмотрим для начала изохорический процесс. При нем объем остается постоянным. А значит, изменение объема будет равно нулю. Следовательно, работа так же будет равна нулю. Выкинем это слагаемое из первого начала термодинамики, после чего получим формулу dQ = dU. Значит, при изохорическом процессе все тепло, подведенное к системе, уходит на увеличение внутренней энергии газа или смеси.

Теперь поговорим об изобарическом процессе. Постоянной величиной в нем остается давление. При этом внутренняя энергия будет изменяться параллельно совершению работы. Вот первоначальная формула: dQ = dU + pdV. Мы можем легко вычислить совершаемую работу. Она будет равна выражению uR(T₂-T₁). Кстати, это есть физический смысл универсальной газовой постоянной. При наличии одного моля газа и разнице температур, составляющей один Кельвин, универсальная газовая постоянная будет равна работе, совершаемой при изобарическом процессе.